科技大观,探究各国超级计算机研究计划

提起世界最大的天文望远镜——平方公里阵列射电天文望远镜SKA,大家都耳熟能详,这个最大的望远镜还没有诞生就已经抛给了人们众多难题和挑战。首先是选址问题,这一问题耗时9年才最终有结果,南非和澳大利亚当选。然而比选址更为棘手的问题,也随着而来。

今年隆重发布的首张黑洞照片,让人们见识到了幕后功臣“事件视界望远镜”的威力。它把各大洲的观测设备联合起来形成一个巨型虚拟望远镜,整合能力超乎想象。不过,这项前沿技术目前正在被刷新——人类有史以来最大的天文学项目“平方公里阵列射电望远镜”建成后,将引领未来的射电天文研究。

IBM拟打造亿亿次级计算机系统

揭秘世界最大望远镜阵列:扫描太空速度提1万倍

SKA既然是世界最大的天文望远镜,其产生的数据也自是惊人。SKA由于覆盖频率从70兆赫兹至10000兆赫兹,高频碟形阵列每秒钟将产生1600亿比特的数据,同时还有来自中、低频孔径阵列每秒钟更大的数据量。这些海量信息,该如何处理呢?

SKA因接收总面积约有1平方公里而得名。它由2500面直径15米的碟形天线以及超过100万个低频天线等单元组成,预计在2030年后全部建成。它肩负的使命包括:揭示宇宙的第一缕光,检验爱因斯坦广义相对论,探测引力波和宇宙暗能量、暗物质以及探寻地外文明等。

据美国哥伦比亚广播公司网站报道称,IBM公司与总部位于荷兰的Astron组织,正在计划打造一个亿亿次级的计算机系统,以期成为世界上最大、最敏感射电望远镜阵列的数据处理主干网。

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你或许还不能想象SKA望远镜会产生多么庞大的数据量,不妨来进行下对比。未来SKA望远镜每秒产生的数据,是我们当前互联网数据的几百倍,要处理这些数据需要一台超级计算机。这台超级计算机必须达到每秒运行速度10万万亿次才能处理SKA望远镜产生的数据。

同EHT一样,SKA采用的是射电干涉测量技术,即通过计算不同天线所接收电磁波的相位差推算出天体的空间分布。这就像人通过辨别声音到达两耳的时间判断发声点的方位一样。这种技术分辨率极高,可以识别光学望远镜看不清的东西。EHT能从北京辨清纽约一张报纸上的字,可谓真正的“千里眼”。

随着全球各国紧锣密鼓的进行亿亿次级别的超级计算机的研发,已开始有人下预言,摩尔定律会随着亿亿次级超算的发展,于十年内被打破。而日前,IBM公司爆出消息称,他们的亿亿次级计算机系统,将会与未来全球最大、亦是最灵敏的“平方公里级射电望远镜阵列”项目相连接。

平方公里阵列,每天产生的数据量达到艾字节,超过全球的互联网流量。面对如此惊人的数据量,地球上任何超级计算机都无法承担处理工作

然而当前的计算机对于这样的高速还是望尘莫及。目前世界排名第一的超级计算K Computer也仅能达到1千万亿次左右。要处理SKA产生的海量数据,超级计算机运行速度必须是世界排名第一的超级计算的十倍。

SKA的观测范围更广,灵敏度也更胜一筹。EHT的8台望远镜有几十面天线,SKA的天线多达几千面,能看到更远更暗弱的物体。正如要听远处蚊子的声音,一对耳朵不够,就用1万对耳朵合起来听。

SKA堪称科学上的奇观,它建成后将是世界上最大的射电望远镜阵列——3000个直径15米的蝶形天线将把宇宙的景象尽收“眼底”。待启动时,它的灵敏度将超出其他望远镜50倍,巡天速度超出1万倍。这使其能够再现130亿年前的宇宙景象,观测到彼时残留的非常微弱的太空信号,进而对太空无线电波进行分析,研究星系演化、暗物质以及宇宙的起源。

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当然,这个问题也并非没有解决途径,毕竟SKA预计2024年才能够竣工,届时超级计算机的性能能够发展到何种程度还是给了人们很大的期待。目前世界多国都致力于超级计算机研究,IBM则首当其冲正在建设首个超过10万万亿次浮点计算的超级计算机——BlueGene/Q “Sequoia”。

把这么多信息综合起来分析,需要一个超强“大脑”。对SKA来说,这个“大脑”就是超级计算机。干涉天线之间相距越远,就越可能因所在环境不同产生相位误差,数据处理也越困难。对黑洞的观测,从数据获得到图像发布,整整花了两年时间,主要难题在于开发针对海量数据进行图像重构的新算法。SKA要处理的数据量是EHT的100多倍,需要的计算速度是我国最大超级计算机“神威·太湖之光”的30倍以上。这样的计算量及其带来的能源消耗是目前技术难以承受的。

按计划,SKA将在太空形成覆盖面积约为1平方公里的信息采集区,再分离、传送给计算机进行分析。据CBS网站称,SKA每年需要存储的庞大数据估计在300PB到1500PB之间,而同时给出的比照数字显示,目前世界最强大的科学仪器——欧洲核子研究中心的大型强子对撞机,其每年产生的数据是在15PB左右。

来自20个国家70家机构的天文学家和工程师正在设计平方公里阵列,它的灵敏性是现有任何望远镜的50倍,观测天空的速度则是任何望远镜的1万倍

此外,美国联合AMD、英伟达也将研制超级计算机Titan,计算能力能达每秒2亿亿次。中国的神威蓝光超级计算机系统在国际超级计算机领域算的上一大突破。而欧盟的FuturICT计划,也将建立“Living Earth Simulator(LES,动态地球模拟)”的超级计算机系统。随着超级计算机研发计划和速度,或许SKA望远镜给出的“10万万亿次”难题,届时能够得到解决。

幸运的是,我们正在进入物联网时代。在物联网的世界里,网络的快速升级换代大幅提升了数据传输能力;量子计算机的问世,使运算能力出现了革命性的突破。估计20多年后,SKA面临的问题将会迎刃而解,我们也将真正进入万物互联的时代,地球上甚至太空中的射电望远镜都可以联起来组成一个巨型观测网络。届时,一旦监测到太空中的异常事件,例如黑洞合并、疑似地外文明信号等,我们可以迅速调动全球的望远镜联合观测,对目标进行精确定位与跟踪,第一时间预警并作出响应。

因此,为了能与SKA的数据量匹配,IBM的计算机系统必须要有成为“史上最强”的决心——包括将采用3D芯片制造,每日数据吞吐量将是全球互联网数据流量的两倍,而运算能力则会是当前速度最快的PC的数百万倍。不过IBM公司显然还有时间准备,因为按计划SKA项目将在2016年动工,2024年完成。竣工之日才是计算机系统与其相连之时。

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在全球十多个参与国家中,中国作为创始成员国于今年3月签署了SKA天文台公约。我国拥有的世界最大单口径射电望远镜FAST是北半球最灵敏的设备,可与位于南半球的SKA形成互补。我国科学家积极参与SKA的国际大科学合作,有望成为新时代天文研究的引领者。

4月3日在荷兰首都阿姆斯特丹召开的会议,已开始讨论SKA阵列选址问题。此前,澳大利亚和南非都在为竞争其选址而奔走,而无人类活动污染的射电环境会是SKA选址最重要的考察指标之一。

平方公里阵列将绘制宇宙磁场的三维图像,帮助科学家了解宇宙磁场如何稳定星系,影响恒星和行星的形成,以及调节太阳和其他恒星的活动

标签: 天文望远镜 望远镜

(作者为中国科学院国家天文台研究员)

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《 人民日报 》( 2019年07月23日 18 版)

艺术概念图,展示了平方公里阵列。阵列的蝶形天线将通过光纤相连,每天产生的数据量超过整个互联网流量

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平方公里阵列扫描太空的速度是现今任何望远镜的1万倍,将通过测绘宇宙内的氢分布以及追踪年轻星系,帮助科学家揭开暗能量等一系列谜团

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射电望远镜负责探测宇宙中的射频信号,它们能够对可能被宇宙尘埃遮住的太空区域进行观测。平方公里阵列将是迄今为止制造的最大和最快的望远镜阵列

北京时间12月8日消息,平方公里阵列耗资13亿英镑,是迄今为止最雄心勃勃的科学研究项目之一,也是目前制造的最大望远镜阵列。平方公里阵列的碟形天线覆盖面积超过1平方公里,将建在南非或者新西兰,其扫描太空的速度是现今任何望远镜的1万倍。

平方公里阵列获取的信号将通过光纤传输给一台高性能超级计算机。每天传输的数据数量惊人,超过整个互联网流量,传输速度也远远超过现在的互联网。目前,IBM正在研制能够消化这些数据的机器。平方公里阵列的碟形天线获取的数据数量超乎我们想象,每年产生的数据足以装满1500万部容量最大的iPod。

目前,绝大多数天文学项目需要人工管理,天文学家利用电脑“挑选”需要予以关注的数据。由于数据量惊人,人工管理平方公里阵列成为一种不可能。庆幸的是,IBM研发的一款软件能够消化这些数据。这家公司表示这项技术允许企业监视通讯系统和交通网络,效率远远超过现在的技术。

IBM与新西兰惠灵顿维多利亚大学的射电天文学家梅勒妮-约翰斯顿-霍利特博士合作,打造信息密集框架原型,自动完成当前需要科学家手工完成的工作。IBM新西兰区首席技术官、新西兰平方公里阵列产业协会主席杜格尔-瓦特表示:“信息密集框架原型测试了一系列新想法,它是IBM处理天文学研究面临的海量数据这一挑战的第一项努力。虽然是为平方公里阵列研发的,但这项成果同样可以应用于其他面临海量数据处理的机构,例如制造业工厂、电讯公司、交通部门以及医疗保健部门。”

约翰斯顿-霍利特博士说:“面临着需要处理的海量数据,射电天文学家必须养成和适应一个此前没有尝试过的新习惯,那就是自动处理、成像和分析。我们需要找到新的解决方法,处理海量数据。这项技术在科学研究领域拥有巨大的发展前景。”

世界最大规模射电望远镜阵列进入倒计时 中科院专家解读

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